CAP. VII CONVERSIA ENERGIEI ÎN REŢELEI DE PALETE

Generalităţi

În palete, energia aburului se transforma in lucru mecanic util. Dupa directia de curgere a aburului prin palete se deosebesc (Fig 7.1): trepte axiale, la care aburul circula paralel cu axa; trepte radiale, in care aburul circula intr-un plan normal pe axa; trepte diagonale, la care aburul circula inclinat fata de axa.

Fig. 7.1

In majoritatea turbinelor se folosesc trepte diagonale. Pentru simplificarea calcului , dacă variatia diametrului dintre intrarea si iesirea din palete este sub 1%, se considera trepte axiale.

Diagrama de viteze

Din ajutaje aburul iese cu viteza absoluta c1 sub unghiul α1. Fata de paletele care se deplaseaza cu viteza tangentiala u, aburul are viteza relativa w1: w1 = c1 – u1; rezultanta este vectorul w1, inclinat sub unghiul β1 fata de directia de miscare a paletei (Fig. 7.2).

Fig. 7.2

Din palete aburul iese cu viteza relativa w2, inclinata cu unghiul β2. Viteza absoluta de iesire c2 se obtine prin insumarea vectoriala.

Din diagrama de viteze rezulta: variatia vitezei la trecerea prin palete, deci forta transmisa paletelor; unghiul de intrare si de iesire ale paletelor.

Studiul energetic al treptei

Dupa modul in care se produce forta asupra paletei, treptele, respectiv paletele, pot fi cu actiune sau cu reactiune.

Treapta cu actiune

Forta se produce prin lovirea paletei de catre aburul iesit cu viteza din ajutaje. Aburul se destinde in ajutaje, iar in palete sufera doar o schimbare de directie, presiunea raminind constanta ( Fig 7.3)

Fig. 7.3

Caderea teoretica in ajutaje este egala cu caderea totala a treptei. In diagrama i-s procesul dintr-o treapta cu actiune cuprinde o destindere AB care are loc in ajutaje, urmata de o incalzire izobara BC, datorate pierderilor care au loc la iesirea din ajutaje.

In palete nefiind destindere viteza relativa ar trebui sa ramina constanta dar, din cauza pierderilor viteza scade.

Pentru ca viteza relativa sa ramina teoretic constanta este necesar ca largimea canalului dintre palete sa ramina constanta; un cerc pe toata lungimea canalului. Pentru aceasta este necesar ca: unghiurile de la intrarea si de la iesirea din palete sa fie aproximativ egale; paleta sa fie ingrosata la mijloc si cu muchiile de intrare si de iesire subtiri.

Treapta cu reactiune

Forta utila se produce prin lovirea paletelor de catre aburul iesit cu viteza din ajutaje (efect de actiune) si prin cresterea vitezei relative spre iesirea din palete (efect de reactiune). Aburul se destinde atit in ajutaje, pentru a obtine viteza c1, cit si in palete, pentru a-si mari viteza relativa c2. Variatia presiunii si a vitezei absolute in treapta cu reactiune se prezinta in Fig. 7.4 de mai jos.

Fig. 7.4

Dupa cum se vede din diagrama i-s apare o destindere in ajutaj ha si o destindere in paleta hp. Destinderea totala este suma celor doua destinderi. Raportul dintre destinderea din palete si destinderea totala se numeste grad de reactiune:

ρ = hp/ht = hp/ (hp + ha)

Daca ρ < 0,15 este treapta cu reactiune redusa si are caracteristicile constructive ale treptei cu actiune. Daca ρ > 0,15 este treapta cu reactiune mare si are caracteristici constructive speciale. Pentru ρ > 0,5 forta asupra paletei se produce prin efect de aripa portanta.

Spre deosebire de treapta de actiune, la treapta de reactiune, prin faptul ca are loc o cadere de presiune in paleta, aceasta produce o forta axiala care se transmite rotorului si care trebuie compensate.

Pierderi in palete

La trecerea aburului printre palete se produc pierderi care se impart in patru grupuri: pierderi la intrarea in palete; pierderi in canalul dintre palete; pierderi la iesirea din palete; pierderi peste virful paletei.

Ciocnirea cu muchia paletei.

In cazul optim, aburul intra tangent la suprafata paletei. Chiar in acest caz se produce o ciocnire cu muchia paletei. Din punctul de contact se propaga unde de soc cu viteza sunetului, putind anticipa ciocnirea. Daca viteza aburului este mai mica decit viteza sunetului ( numarul Mach M < 1) unda de soc anticipeaza ciocnirea, astfel ca muchia se poate face rotunjita si relativ groasa (aprox. 1 mm). La M > 1 unda de soc nu se mai poate propaga in amonte, astfel ca vina de abur este despicata doar de muchie, care trebuie sa fie subtire si ascutita.

Scurgeri secundare de abur.

La treptele cu actiune sau reactiune redusa, aburul care trece cu viteza din ajutaje in palete antreneaza aburul care stationeaza in fata discului producindu-se o depresiune – fenomenul de ejectie. Pentru a nu se produce forte axiale asupra rotorului, discurile de sustinere palete sint prevazute cu orificii pentru egalizarea presiunii prin care vine mereu abur din spatele discului. Aceasta circulatie duce evident la un consum de energie. Pentru a reduce aceste pierderi, se prevad labirinti de etansare pe obada discului si deasupra bandajului paletelor.

Devierea vinei de abur.

Datorita schimbarii directiei aburului se produce centrifugarea lui. Acesta se ingramadeste prin partea concava a paletei, unde presiunea creste mult. Datorita diferentei de presiune se produc curenti transversali de la partea concava spre partea convexa; incrucisarea cu curentul principal produce pierderi.

Frecarea cu suprafata paletei.

Pentru a reduce frecarea, suprafata paletei trebuie sa fie bine finisata. Cu timpul, depunerile de saruri si uzura duc la marirea rugozitatii suprafetei si deci la scaderea randamentului. Aceasta se remediaza prin inspectiile periodice necesare a se efectua pentru verificarea integritatii paletelor si detectarea initierii de fisuri. Pentru inspectare suprafata paletei se pregateste prin sablare ceea ce indeparteaza depunerile de saruri.

Umplerea incomplete a canalului.

Din cauza dilatarii diferite a rotorului si statorului se produce o deplasare relativa a paletelor fata de ajutaje pe directia razei. La intrarea in palete apare o reducere brusca de sectiune, producindu-se desprinderea vinei de abur, cu virtejuri marginale. Cu cit paleta este mai scurta, inaltimea relativa a zonei de virtejuri raportata la lungimea paletei creste, deci pierderile cresc la paletele scurte. Daca partea convexa prezinta schimbari bruste de curbura, se pot produce desprinderi ale aburului. De aceea este recomandabila executia extradosului ca o curba continua, eventual un arc de cerc.

La paletele cu reactiune, aburul umple mai bine canalul, deoarece curgerea se realizeaza sub actiunea diferentei de presiune. Deci paletele cu reactiune au pierderi mai mici.

Pierderi la iesirea din palete.

In spatele muchiei se produce o zona de virtejuri; pentru reducerea acesteia este de dorit ca muchia sa fie cit mai subtire.

Pierderi peste virful paletei.

Din cauza diferentei de presiune dintre partea concave si partea convexa apar scurgeri de abur peste virful paletei. Pentru reducerea acestor pierderi, capetele paletelor sint legate cu un bandaj, care inchide pe de o parte canalul dintre palete spre virf si pe de alta parte asigura rigidizarea acestora pentru a prevenii vibratiile datorate curgerii neuniforme a aburului.

Pierderi datorate elementelor de rigidizare.

Paletele vibreaza cu o frecventa proprie, vibratia aparind atit datorita curgerii uniforme cit si datorita celei neuniforme. Fenomenul este mai evident la paletele lungi aferente corpurilor de joasa presiune ale turbinei. Pentru a reduce amplitudinea vibratiilor paletele sint rigidizate prin sirme care leaga paletele una de alta. Aceste sisteme de rigidizare modifica configuratia optima a canalului de curgere ceea ce determina pierderi datorita virtejurilor suplimentare create.

Dimensionarea paletelor

Dimensionarea paletelor cuprinde doua faze: stabilirea profilului paletei in concordanta cu diagrama de viteze si cu principiul de lucru (actiune sau reactiune); calcularea lungimii paletei, pe baza ecuatiei de debit volumetric.

Alegerea gradului de reactiune a paletei se realizeaza din diagrame experimentale functie de raportul dintre lungimea paletei si diametrul mediu al paletei.

Forma paletelor se stabileste prin consideratii aerodinamice. In present, prin dezvoltarea tehnicilor de calcul sint efectuate programe specializate de catre firmele furnizoare, programe verificate pe baza a numeroase incercari facute in tuneluri aerodinamice.

Paletele lungi

In lungul paletei viteza periferica creste ceea ce duce la modificarea diagramei de viteze. La palete cu lungimea lp < d/12 se neglijeaza variatia vitezei periferice, folosindu-se profilul determinat pentru sectiunea de mijloc. Aceste palete sint denumite palete cu profil constant sau palete cilindrice.

La palete cu lungimea lp > d/12 trebuie considerate variatia vitezei periferice, ca si tendinta de centrifugare a aburului, ceea ce duce la palete rasucite sau elicoidale (Fig. 7.5).

Fig. 7.5 Palete răsucite sau elicoidale

La lungimi mijlocii (lungimi intre d/12 si d/5) se rasuceste numai paleta, iar ajutajul are unghiul constant. La palete cu lp > d/5 se rasuceste si paleta si ajutajul; obisnuit paleta se subtiaza spre virf, pentru a reduce solicitarea produsa de forta centrifuga.

Pierderi în paletaj

Pierderea prin umiditate

La ultimele trepte ale turbinelor cu condensatie conventionale sau chiar de la primele trepte ale turbinelor din centalele nucleare aburul utilizat este in zona umeda, putind ajunge la o umiditate de 12-14%. Prezenta picaturilor de apa produce erodarea paletelor si pierderi de energie.

Prin destinderea aburului in ajutaje in special se produc picaturi de apa care se depun pe extradosul paletelor statorice.

Filmul de apa este antrenat de catre abur si proiectat sub forma de picaturi spre paletele rotorice. Intrucit picaturile de apa nu-si obtin viteza prin destinderea proprie, ci prin antrenare de catre abur, viteza absoluta a picaturilor este mai mica decit cea a aburului. Viteza relativa a apei are o inclinare fata de cea a aburului, lovind fata convexa a paletei (Fig. 7.6).

Fig. 7.6

Cind energia de impact depaseste valoarea admisibila pentru materialul muchiei paletei se produce o eroziune care incepe in punctual M si se dezvolta rapid. Sub influenta fortei centrifuge, picaturile de apa sint concentrate spre virful paletei, deci eroziunea apare in special in treimea dinspre virful paletei.

La inceputul eroziunii, suprafata paletei prezinta mici cratere intre care sint cristalele dure care au rezistat eroziunii initiale. De aceea, cu ocazia reviziilor nu se slefuieste muchia erodata, caci s-ar indeparta tocmai cristalele dure. In plus prelucrarea paletelor ar creea probleme in echilibrarea rotorului ceea ce in timp ar duce la pierderi mecanice prin crestera vibratiilor.

Pentru a reduce efectul de eroziune, muchia de intrare trebuie sa fie durificata in partea dispre virf, ceea ce se poate realiza prin placare cu aliaje dure.

Prezenta picatuilor de apa in abur duce la o pierdere de energie din cauza reducerii debitului de abur (filmul de apa format pe extradosul ajutajului modifica geometria acestuia si implicit procesul de destindere), a consumului de energie pentru antrenarea picaturilor de apa si a efectului de frinare a picaturilor prin lovirea fetei concave a paletei.

Pierderea prin nedestinderea apei depinde de valoarea titlului initial la intrarea in treapta iar pierderea prin frecare si frinare de valoarea titlului de la iesirea din treapta.